一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法

本发明属于无人机通信与无线能量传输，具体涉及一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法。

背景技术：

1、随着无人机（unmanned aerial vehicle, uav）技术的快速发展，无人机在应急通信、环境监测、物联网数据收集等领域展现出显著优势。相比于传统地面通信节点，无人机具有部署灵活、视距通信链路概率高等特点。然而，无人机的尺寸和载荷严格限制了其电池容量，导致续航能力极其有限，成为制约其大规模长时间任务的核心瓶颈。如何有效克服无人机的能量受限问题，已成为当前航空通信领域亟待解决的关键难题。

2、近年来，射频无线能量传输（wireless power transfer, wpt）技术被认为是解决低功耗无线节点能量瓶颈的有效途径。在无线供电通信网络（wireless poweredcommunication network, wpcn）中，终端在下行链路从无线电磁波中收集能量，并利用该能量在上行链路进行数据传输。将无线能量传输技术引入无人机通信系统，地面节点可为无人机提供无线充电，无人机则利用收集的能量执行通信任务，从而延长作业时间，实现系统自维持运转。

3、尽管已有一些基于传统蜂窝网络的无人机无线能量传输方案，但仍存在固有局限性。传统蜂窝网络采用集中式基站部署，形成蜂窝状拓扑，依赖固定小区边界实现接入。当无人机高速移动时，面临频繁的越区切换，极易引发信令风暴与链路中断。更关键的是，无线能量传输效率对物理距离极其敏感，空间路径损耗严重。传统宏基站与高空无人机之间的距离往往较远，导致无人机实际收集到的射频能量微乎其微，难以支撑其后续飞行与上行通信需求。

4、无小区（cell-free）网络架构为解决上述问题提供了全新范式。该架构通过在区域内密集部署大量低功耗分布式接入点（access point, ap），并由中央处理单元实时协同，形成“用户为中心”的虚拟大蜂窝，彻底消除了传统小区边界和频繁切换问题。将无小区架构应用于无人机无线能量传输场景具有天然优势：密集分布的ap大幅缩短了能量发射端与无人机之间的链路距离，降低了空间路径损耗，提升了下行无线能量传输效率；同时，多ap协同接收也改善了无人机上行通信的信号质量。

5、然而，在面向无线能量传输的无小区无人机通信系统中，由于引入了无人机的三维高动态移动性以及下行能量收集与上行信息传输的紧密耦合关系，系统的资源分配与调度变得异常复杂。目前，针对如何基于最大化系统能量效率或频谱效率的目标，在下行无线能量传输与上行通信之间进行动态时隙划分、多接入点及无人机的发射功率控制、以及无人机空间飞行轨迹的联合优化分配，仍缺乏系统且成熟的解决方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，基于无小区网络架构，通过联合优化时隙分配、上下行功率控制和无人机三维飞行轨迹，最大化系统能量效率。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，包括：

4、无小区空地协同收发架构构建：在任务区域内密集部署大量由中央处理单元（cpu）统一调度的分布式低功耗接入点（ap），打破传统蜂窝小区边界。建立下行无线能量传输（wpt）与上行无线信息传输（wit）的协同收发模型：下行链路中，分布式ap集群对无人机进行联合射频能量传输；上行链路中，无人机利用收集到的能量向ap集群发送通信数据，由cpu进行全局联合解码。同时确立“先收集后传输”的通信协议将通信周期划分为下行无线能量收集阶段与上行数据传输阶段。

5、能量与信息传输时隙动态划分：针对下行无线能量收集与上行数据传输在时间维度上的强耦合关系，设计动态时隙分配机制。根据无人机的实时电池状态、业务数据量需求以及当前空地信道质量，自适应调节通信周期内用于下行能量收集阶段和上行数据传输阶段的时隙分配比例，在保证无人机基本存活能量的前提下，最大化有效通信时长。

6、下行发射与上行通信功率联合控制：建立下行发射功率与上行发射功率联合控制模型。在下行阶段，优化分布式ap集群的下行发射功率，以满足无人机通信模块的能量因果约束并降低系统总能耗；在上行阶段，根据无人机通信模块的剩余能量，动态调整无人机的上行发射功率，并通过多ap协同接收提高上行链路的接收信干噪比。。

7、高动态环境下的无人机三维轨迹规划：考虑空间距离对无线射频能量衰减的极高敏感性，建立无人机三维空间运动学模型。联合空地视距（los）信道状态，动态规划无人机的飞行航点、速度与三维空间轨迹。通过算法引导无人机在能量匮乏时主动靠近ap分布密集的“能量热点”区域以提高收集效率，并在通信需求高时占据最优视距位置，有效应对空地链路的时变衰落特性。

8、基于能效最大化的联合优化算法设计：构建以系统全局能量效率（energyefficiency）最大化为目标函数的联合优化数学模型。将时隙分配比例、ap下行功率、无人机上行功率以及无人机三维轨迹作为耦合的优化变量，引入能量因果关系、最大发射功率、最大飞行速度及防碰撞等物理约束条件。采用交替优化（alternating optimization），并结合连续凸近似方法进行迭代求解，输出满足各项约束条件的收敛资源分配方案。

9、第二方面，本发明提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；其中，当一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法。

10、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时能够使处理器实现前述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法。

11、本发明的有益效果在于：

12、第一，通过密集部署分布式接入点并采用“先收集后传输”协议，大幅缩短能量传输距离，有效克服无人机续航瓶颈，提升下行无线能量收集效率与上行通信质量。

13、第二，采用动态时隙划分与功率联合控制机制，根据无人机剩余能量、信道状态和业务需求自适应调配资源，在保障能量因果约束的前提下最大化系统吞吐量，显著提高频谱利用率。

14、第三，将无人机三维轨迹与通信资源纳入统一优化框架，引导无人机主动飞向能量热点区域或信道优位置，实现能量收集与数据传输的协同增益，进一步提升系统能量效率。

15、第四，采用交替优化算法高效求解非凸联合优化问题，输出全局最优资源分配决策，兼顾理论最优性与工程可行性，为无小区无人机通信系统的实际部署提供可靠技术支撑。

1.一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤1中，在任务区域内密集部署多个单天线分布式接入点，并配置一架单天线无人机；下行链路中，所述分布式接入点组成的集群对所述无人机进行联合射频能量传输；上行链路中，所述无人机利用收集到的能量向所述分布式接入点集群发送通信数据，由所述中央处理单元进行全局联合解码。

3.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤2中，在每个时间步长内设置两个非重叠阶段，第一时间段为所述下行无线能量收集时隙，第二时间段为所述上行数据传输时隙；根据所述无人机的剩余能量、待传输数据量以及所述分布式接入点与所述无人机之间的等效信道增益，自适应调节所述时隙分配比例。

4.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤3中，根据各所述分布式接入点到所述无人机的三维空间物理距离计算空地视距链路的路径损耗，进而获得信道增益；基于各所述分布式接入点的下行发射功率与所述信道增益，计算所述无人机在下行阶段接收的总射频能量。

5.根据权利要求4所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述上行发射功率用于所述无人机向周边所述分布式接入点发送通信数据，各接收所述分布式接入点将信号通过前传链路汇聚至所述中央处理单元进行全局联合解码；基于所述无人机的上行发射功率、各所述分布式接入点与所述无人机之间的上行信道增益以及接收噪声功率，计算多接入点协同接收模式下的上行链路接收信干噪比，进而得到可达传输速率。

6.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤4中，设定所述无人机的起飞初始位置、最终到达位置、最大飞行速度以及最低飞行高度和最高飞行高度作为运动学物理约束；并且，在每个时间步长内，所述中央处理单元根据当前信道状态信息、所述无人机剩余能量以及待传输数据量，采用连续凸近似方法更新所述无人机的下一轨迹点，使更新后的轨迹兼顾能量收集效率和上行通信质量。

7.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤5中，所述能量效率定义为整个通信周期内所述无人机向系统传输的总数据比特数与系统总消耗能量的比值；所述能量因果约束为：所述无人机在上行数据传输时隙的发射能耗与电路静态能耗之和，不得超过所述下行无线能量收集时隙内收集到的总有效电能与初始备用电量之和。

8.根据权利要求7所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法，其特征在于，所述交替优化算法基于块坐标下降思想，将原优化问题分解为时隙与功率联合优化子问题和无人机轨迹优化子问题，在两个子问题之间交替迭代；固定所述无人机轨迹时优化所述时隙分配比例和各发射功率变量，固定所述时隙分配比例和各发射功率变量时优化所述无人机三维轨迹；当相邻两次迭代的能量效率变化量小于预设阈值或达到最大迭代次数时停止迭代，输出满足所述约束条件的收敛资源分配方案。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时能够使处理器实现权利要求1-8任一项所述的一种面向无线能量传输的无小区无人机通信资源分配方法。